JP6819164B2

JP6819164B2 - 磁界検出装置

Info

Publication number: JP6819164B2
Application number: JP2016177775A
Authority: JP
Inventors: 雄二朗冨田; 二口　尚樹; 尚樹二口
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Hitachi Metals Ltd
Priority date: 2016-09-12
Filing date: 2016-09-12
Publication date: 2021-01-27
Anticipated expiration: 2036-09-12
Also published as: JP2018044789A

Description

本発明は、巨大磁気抵抗効果を有するＧＭＲ（Giant Magneto Resistive effect）素子を用いた磁界検出装置に関する。

従来、ＧＭＲ素子を用いた磁界検出装置が、例えば導体に流れる電流量の測定等の様々な用途に用いられている。このような磁界検出装置には、複数のＧＭＲ素子を備え、これら複数のＧＭＲ素子によってブリッジ回路が構成されたものがある（例えば、特許文献１，２参照）。

特許文献１に記載の磁界検出装置（電流検出装置）は、検出すべき磁界（被検出磁界）に対して直交する方向のバイアス磁界を発生させる平板状のバイアス磁石を備え、バイアス磁界と被検出磁界との合成磁界の向きが被検出磁界の強度によって変化することに伴う電気抵抗の変化により、被検出磁界の強度を検出する。

また、特許文献２に記載の磁界検出装置（磁気センサ）は、ＧＭＲ素子の電気抵抗が温度に依存して変化することによる測定誤差を補償するため、素子の加熱及び冷却によって得られた温度依存特性補償用データ（素子の温度変化に対する抵抗値の変化の割合）に基づいて出力値を補正する制御回路部（ＬＳＩ）を有している。ＧＭＲ素子及び制御回路部（ＬＳＩ領域）は、石英ガラス等から形成された基板上に積層して形成されている。

特開２０１６−９９２９１号公報国際公開第２００４／０５１２９８号

特許文献２に記載された磁界検出装置のように、ＧＭＲ素子の温度変化による誤差を補償する制御回路部を設ける場合には、そのコストが増大してしまう。

そこで、本発明は、コストの増大を抑制しながら、ＧＭＲ素子の電気抵抗値の温度依存性による測定誤差を低減することが可能な磁界検出装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決することを目的として、巨大磁気抵抗効果を有するＧＭＲ素子と、前記ＧＭＲ素子にバイアス磁界を印加する磁界発生部とを備え、前記ＧＭＲ素子の電気抵抗の変化によって前記バイアス磁界に直交する方向の被検出磁界の強度を検出する磁界検出装置であって、前記磁界発生部は、前記バイアス磁界を発生するコイルと、前記コイルに励磁電流を供給する電源とを有し、前記ＧＭＲ素子の温度が上昇して前記被検出磁界の強度の変化に対する前記電気抵抗の変化率が低下したとき、前記励磁電流の減少によって前記バイアス磁界の強度が低下する、磁界検出装置を提供する。

本発明に係る磁界検出装置によれば、コストの増大を抑制しながら、ＧＭＲ素子の電気抵抗値の温度依存性による測定誤差を低減することが可能となる。

本発明の実施の形態に係る磁界検出装置の構成を模式的に示す概略構成図である。図１のＡ−Ａ線における磁界検出装置の断面図である。第１乃至第４のＧＭＲ素子によって構成されたブリッジ回路の動作を説明するために示す説明図である。（ａ）は、バイアス磁界が温度にかかわらず一定であるとした場合の常温時と高温時における被検出磁界の強度と出力電圧との関係を示すグラフである。（ｂ）は、センサチップの飽和電圧が温度に関わらず一定であるとした場合の常温時及び高温時における被検出磁界の強度と出力電圧との関係を示すグラフである。（ｃ）は、被検出磁界の強度と出力電圧との関係を示すグラフである。実施の形態の変形例に係る磁界検出装置の構成を模式的に示す概略構成図である。

［実施の形態］
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係る磁界検出装置の構成を模式的に示す概略構成図である。図２は、図１のＡ−Ａ線における磁界検出装置の断面図である。

この磁界検出装置１は、巨大磁気抵抗効果を有する複数のＧＭＲ素子２と、ＧＭＲ素子２にバイアス磁界を印加する磁界発生部３と、複数のＧＭＲ素子２及び磁界発生部３のコイル３１を封止する封止材４とを備えている。図１では、封止材４の外縁を示し、その内部の構造を図示している。また、図１では、ＧＭＲ素子２の裏側におけるコイル３１を破線で示している。封止材４は、電気絶縁性を有し、例えばエポキシ樹脂等の樹脂材料からなる。

複数のＧＭＲ素子２及びコイル３１は、封止材４によって封止されて一体化され、単一のセンサチップ１０を構成している。磁界検出装置１は、センサチップ１０が例えばバスバー等の導電路の近傍に配置され、導電路に電流が流れることにより発生する磁界を検出するために用いられる。

磁界発生部３は、バイアス磁界を発生するコイル３１と、コイル３１に励磁電流を供給する電源３２とを有している。コイル３１は、線状の導電体が螺旋状に形成され、電源３２から供給される励磁電流によってバイアス磁界を発生させる。図２では、このバイアス磁界を破線で示している。電源３２は、励磁電流の大きさにかかわらず一定の電圧を出力する定電圧源である。

コイル３１は、導電体が直線状に形成された第１及び第２の直線部３１ａ，３１ｂと、導電体が半円状に形成された第１及び第２の円弧部３１ｃ，３１ｄとを有している。第１の直線部３１ａと第２の直線部３１ｂとは互いに平行であり、第１及び第２の円弧部３１ｃ，３１ｄは、第１の直線部３１ａと第２の直線部３１ｂとの間に形成されている。本実施の形態では、導電体がコイル３１の中心部３１０の周囲を平面状に６周している。すなわち、コイル３１の巻数は６である。導電体の材質としては、例えば銅（Ｃｕ）やアルミニウム（Ａｌ）、銀（Ａｇ）、あるいは合金（ＣｕＡｌ）等を用いることができる。

ＧＭＲ素子２は、それ自体は周知のものであり、磁化方向が固定された固定層２０１と、固定層の磁化方向に直交する方向に印加されるバイアス磁界と被検出磁界とによって磁化方向が変化する自由層２０２と、固定層２０１と自由層２０２との間に介在する非磁性の中間層２０３とが積層されている。磁界検出装置１は、ＧＭＲ素子２の電気抵抗の変化によって、バイアス磁界に直交する方向の被検出磁界の強度を検出する。

本実施の形態では、磁界検出装置１が、電気的特性が共通する４つのＧＭＲ素子２を有し、これらのＧＭＲ素子２によってブリッジ回路２０が構成されている。以下、これら４つのＧＭＲ素子２をそれぞれ第１乃至第４のＧＭＲ素子２１〜２４とする。

第１のＧＭＲ素子２１と第２のＧＭＲ素子２２とは、配線５１によって直列に接続されてハーフブリッジ回路を構成している。また、第３のＧＭＲ素子２３と第４のＧＭＲ素子２４とは、配線５２によって直列に接続されてハーフブリッジ回路を構成している。第１のＧＭＲ素子２１と第３のＧＭＲ素子２３とは、配線５３によって接続されている。また、第２のＧＭＲ素子２２と第４のＧＭＲ素子２４とは、配線５４によって接続されている。

第１のＧＭＲ素子２１及び第２のＧＭＲ素子２２は、第１の直線部３１ａと重なるように配置されている。第３のＧＭＲ素子２３及び第４のＧＭＲ素子２４は、第２の直線部３１ｂと重なるように配置されている。図２に示すように、第１の直線部３１ａに流れる電流の向きと第２の直線部３１ｂに流れる電流の向きとは互いに逆向きになるので、第１のＧＭＲ素子２１及び第２のＧＭＲ素子２２に作用するバイアス磁界の方向と、第３のＧＭＲ素子２３及び第４のＧＭＲ素子２４に作用するバイアス磁界の方向きとは、互いに反対方向である。

センサチップ１０は、電源端子１０１と、グランド端子１０２と、第１及び第２の出力端子１０３，１０４と、コイル３１に励磁電流を供給するための第１及び第２の給電端子１０５，１０６とを有し、これら各端子が封止材４の外部に露出している。電源端子１０１には配線５３が接続され、グランド端子１０２には配線５４が接続されている。また第１の出力端子１０３には配線５１が接続され、第２の出力端子１０４には配線５２が接続されている。第１の給電端子１０５にはコイル３１の一端が接続され、第２の給電端子１０６にはコイル３１の他端が接続される。

電源端子１０１とグランド端子１０２との間には、ブリッジ回路２０を動作させる直流電圧が印加される。第１の給電端子１０５には、電源３２の＋端子が接続され、第２の給電端子１０６には、電源３２の−端子が接続されている。

図３は、第１乃至第４のＧＭＲ素子２１〜２４によって構成されたブリッジ回路２０の動作を説明するために示す説明図である。

図３では、第１乃至第４のＧＭＲ素子２１〜２４における被検出磁界を符号Ｂｍで示し、第１乃至第４のＧＭＲ素子２１〜２４のそれぞれの固定層２０１の磁化方向を符号Ｍｐ１〜Ｍｐ４で示している。また、第１乃至第４のＧＭＲ素子２１〜２４に作用するバイアス磁界を符号Ｂｂ１〜Ｂｂ４で示し、被検出磁界Ｂｍとバイアス磁界Ｂｂ１〜Ｂｂ４との合成磁界を符号Ｂ１〜Ｂ４でそれぞれ示している。

被検出磁界Ｂｍの印加方向は、第１乃至第４のＧＭＲ素子２１〜２４の固定層２０１の磁化方向Ｍｐ１〜Ｍｐ４と平行で、バイアス磁界Ｂｂ１〜Ｂｂ４に直交する方向である。第１乃至第４のＧＭＲ素子２１〜２４は、バイアス磁界Ｂｂ１〜Ｂｂ４及び被検出磁界Ｂｍに対して直交する方向にコイル３１と並んで配置されている。

第１及び第４のＧＭＲ素子２１，２４の固定層２０１の磁化方向Ｍｐ１，Ｍｐ４は、第２及び第３のＧＭＲ素子３２，３３の固定層２０１の磁化方向Ｍｐ２，Ｍｐ３と逆向きである。図３に示す例では、被検出磁界Ｂｍの向きが、第１及び第４のＧＭＲ素子２１，２４の固定層２０１の磁化方向Ｍｐ１，Ｍｐ４と同じであり、第２及び第３のＧＭＲ素子３２，２３の固定層２０１の磁化方向Ｍｐ２，Ｍｐ３とは逆向きである。

第１のＧＭＲ素子２１に作用するバイアス磁界Ｂｂ１と第２のＧＭＲ素子２２に作用するバイアス磁界Ｂｂ２とは、向き及び大きさが同じである。第３のＧＭＲ素子２３に作用するバイアス磁界Ｂｂ３と第４のＧＭＲ素子２４に作用するバイアス磁界Ｂｂ４とは、向き及び大きさが同じである。また、バイアス磁界Ｂｂ１，Ｂｐ４とバイアス磁界Ｂｂ２，Ｂｐ３とは、大きさが同じで逆向きである。

第１乃至第４のＧＭＲ素子２１〜２４に作用するバイアス磁界Ｂｂ１〜Ｂｂ４と被検出磁界Ｂｍとの合成磁界Ｂ１〜Ｂ４の強度は、バイアス磁界Ｂｂ１〜Ｂｂ４の強度の二乗値と被検出磁界Ｂｍの強度の二乗値との平方根により得られる。

また、図３では、第１乃至第４のＧＭＲ素子２１〜２４のそれぞれの固定層２０１の磁化方向Ｍｐ１〜Ｍｐ４に対する自由層２０２の磁化方向（合成磁界Ｂ１〜Ｂ２の方向）の角度を、それぞれθ_１〜θ_４で示している。これらの角度θ_１〜θ_４が小さくなると、固定層２０１、中間層２０３、及び自由層２０２の積層方向の電流密度分布が広くなり、電気抵抗値が小さくなる。逆に、角度θ_１〜θ_４が大きくなると、固定層２０１、中間層２０３、及び自由層２０２の積層方向の電流密度分布が狭くなり、電気抵抗値が大きくなる。

図３の図示例において被検出磁界Ｂｍが大きくなると、θ_１，θ_４が小さくなって第１及び第４のＧＭＲ素子２１，２４の電気抵抗が小さくなると共に、θ_２，θ_３が大きくなって第２及び第３のＧＭＲ素子２２，２３の電気抵抗が大きくなる。これにより、センサチップ１０の出力電圧である配線５１と配線５２との電位差が、被検出磁界Ｂｍの大きさ及び向きに応じて変化する。

ところで、第１乃至第４のＧＭＲ素子２１〜２４の感度（被検出磁界Ｂｍの強度の変化に対する電気抵抗の変化の割合）は、被検出磁界Ｂｍの強度（磁束密度）が比較的小さい場合は略一定であり、被検出磁界Ｂｍの強度の増減に伴ってセンサチップ１０の出力電圧が線形に変化する。一方、被検出磁界Ｂｍの強度が高くなると、センサチップ１０の出力電圧が飽和して略一定の値となる。

また、一般的に、ＧＭＲ素子は温度が高くなるほど感度及び飽和出力が低下する。このため、センサチップ１０の出力電圧は、被検出磁界Ｂｍ及びバイアス磁界Ｂｂ１〜Ｂｂ４の強度が一定であっても、センサチップ１０の温度が高くなるほど小さくなる。

センサチップ１０の出力電圧が飽和したときの飽和出力をＶsat、温度係数をKsat、センサチップ１０の温度が基準温度のときの飽和出力をＶsat0、センサチップ１０の温度の基準温度との差をＴ（Ｔ＝センサチップ１０の実温度−基準温度）とすると、飽和出力Ｖsatは、次の近似式（１）で表すことができる。

ここで、温度係数Ksatは負値である。

図４（ａ）は、バイアス磁界Ｂｂ１〜Ｂｂ４が一定であるとした場合の、常温時（例えば２５℃）と高温時（例えば１５０℃）における被検出磁界Ｂｍの強度とセンサチップ１０の出力電圧との関係を示すグラフである。図４（ａ）に示すように、高温時には、常温時に比較してセンサチップ１０の出力電圧が低くなり、飽和電圧も低くなる。このような温度変化に伴う第１乃至第４のＧＭＲ素子２１〜２４の感度の変化によるセンサチップ１０の出力電圧の変動は測定誤差となる。なお、図４（ａ）では、説明の明確化のため、温度の変化によるセンサチップ１０の出力電圧の変動を誇張して示している。以下に述べる図４（ｂ）及び（ｃ）についても同様である。

本実施の形態では、この測定誤差を抑制するため、センサチップ１０の温度（具体的には第１乃至第４のＧＭＲ素子２１〜２４の温度）が上昇して被検出磁界Ｂｍの強度の変化に対する第１乃至第４のＧＭＲ素子２１〜２４の電気抵抗の変化率が低下したとき、バイアス磁界Ｂｂ１〜Ｂｂ４の強度が低下するように、磁界検出装置１が構成されている。

ここで、温度上昇時にバイアス磁界Ｂｂ１〜Ｂｂ４の強度が低下することによって測定誤差が抑制される原理を図３を参照して説明する。前述のように第１乃至第４のＧＭＲ素子２１〜２４の電気抵抗は、固定層２０１の磁化方向Ｍｐ１〜Ｍｐ４に対する自由層２０２の磁化方向の角度θ_１〜θ_４に応じて変化し、角度θ_１〜θ_４は、バイアス磁界Ｂｂ１〜Ｂｂ４の強度と被検出磁界Ｂｍの強度との相対的な関係によって変化する。このため、バイアス磁界Ｂｂ１〜Ｂｂ４の強度が低下すれば、被検出磁界Ｂｍの強度に応じて角度θ_１〜θ_４が変化しやすくなり、見かけ上、第１乃至第４のＧＭＲ素子２１〜２４の被検出磁界Ｂｍに対する感度が高くなる。そして、温度上昇による感度の低下と、バイアス磁界Ｂｂ１〜Ｂｂ４の強度低下による感度の上昇とが相殺され、センサチップ１０の測定誤差が抑制される。

本実施の形態では、電源３２が定電圧源であるので、温度上昇によってコイル３１の抵抗値（直流抵抗値）が大きくなると、コイル３１に流れる励磁電流が小さくなる。このため、バイアス磁界Ｂｂ１〜Ｂｂ４の強度が低下する。

コイル３１の抵抗値をＲ、温度係数をα、基準温度におけるコイル３１の抵抗値をＲ0、コイル３１の温度の基準温度との温度差をＴとすると、コイル３１の抵抗値Ｒは、次式（２）により表すことができる。

また、電源３２の出力電圧をＶｂ、コイル３１の巻数をｎ、コイル３１と第１乃至第４のＧＭＲ素子２１〜２４の自由層２０２との距離をｒとすると、バイアス磁界Ｂｂ１〜Ｂｂ４の強度Ｂｂは、次式（３）により表すことができる。

この式（３）に上記の式（２）を適用すると次式（４）が得られる。

ここで、基準温度におけるバイアス磁界Ｂｂ１〜Ｂｂ４の強度Ｂｂ0とすると、この強度Ｂｂ0は次式（５）によって表される。

この式（５）を上記の式（４）に適用すると次式（６）が得られる。

すなわち、バイアス磁界Ｂｂ１〜Ｂｂ４の強度Ｂｂは、温度差Ｔの変数として表すことができる。

図４（ｂ）は、仮にセンサチップ１０の飽和電圧が温度に関わらず一定であるとした場合の、常温時（例えば２５℃）及び高温時（例えば７０℃）における被検出磁界Ｂｍの強度とセンサチップ１０の出力電圧との関係を示すグラフである。図４（ｂ）に示すように、温度上昇によってバイアス磁界Ｂｂ１〜Ｂｂ４の強度が低下することにより、図４（ａ）に示すグラフとは反対に、高温時において常温時よりもセンサチップ１０の出力電圧が高くなる。

図４（ｃ）は、本実施の形態に係る被検出磁界Ｂｍの強度とセンサチップ１０の出力電圧との関係を示すグラフである。図４（ｃ）に示すように、本実施の形態では、第１乃至第４のＧＭＲ素子２１〜２４の温度上昇による感度の低下と、コイル３１の温度上昇によるバイアス磁界Ｂｂ１〜Ｂｂ４の強度低下による感度の上昇とが相殺され、センサチップ１０の測定誤差が抑制される。

なお、磁界検出装置１は、第１乃至第４のＧＭＲ素子２１〜２４の温度上昇による感度の低下と、コイル３１の温度上昇によるバイアス磁界Ｂｂ１〜Ｂｂ４の強度低下による感度の上昇とが精度よく相殺されるように、コイル３１の巻数ｎ、コイル３１と自由層２０２との距離ｒ、コイル３１の温度係数α、基準温度におけるコイル３１の抵抗値Ｒ0、及び電源３２の出力電圧Ｖｂが調整されている。これらのバイアス磁界Ｂｂ１〜Ｂｂ４の強度に関わる要素のうち、特に電源３２の出力電圧Ｖｂは調整が容易である。

（変形例）
図５は、実施の形態の変形例に係る磁界検出装置１Ａの構成を模式的に示す概略構成図である。この変形例は、磁界発生部３が温度の上昇によって電気抵抗が増大する感熱素子３３を備えた構成が、図１等を参照して説明した実施の形態と異なる。感熱素子３３は、コイル３１と直列に接続され、図５の図示例では、感熱素子３３が電源３２の−（マイナス）端子と第２の給電端子１０６との間に接続されている。この構成によれば、温度上昇時に感熱素子３３によってもコイル３１に流れる励磁電流が小さくなる。このため、コイル３１の温度上昇に伴う電気抵抗の増大のみによっては、温度上昇時にバイアス磁界Ｂｂ１〜Ｂｂ４の強度が十分に低下しない場合でも、第１乃至第４のＧＭＲ素子２１〜２４の温度上昇による感度の低下と、コイル３１の温度上昇によるバイアス磁界Ｂｂ１〜Ｂｂ４の強度低下による感度の上昇とを精度よく相殺させることが可能となる。

（実施の形態のまとめ）
次に、以上説明した実施の形態から把握される技術思想について、実施の形態における符号等を援用して記載する。ただし、以下の記載における各符号は、特許請求の範囲における構成要素を実施の形態に具体的に示した部材等に限定するものではない。

［１］巨大磁気抵抗効果を有するＧＭＲ素子（２）と、前記ＧＭＲ素子（２）にバイアス磁界（Ｂｂ１〜Ｂｂ４）を印加する磁界発生部（３）とを備え、前記ＧＭＲ素子（２）の電気抵抗の変化によって前記バイアス磁界（Ｂｂ１〜Ｂｂ４）に直交する方向の被検出磁界の強度を検出する磁界検出装置（１）であって、前記磁界発生部（３）は、前記バイアス磁界（Ｂｂ１〜Ｂｂ４）を発生するコイル（３１）と、前記コイル（３１）に励磁電流を供給する電源（３２）とを有し、前記ＧＭＲ素子（２）の温度が上昇して前記被検出磁界の強度の変化に対する前記電気抵抗の変化率が低下したとき、前記励磁電流の減少によって前記バイアス磁界（Ｂｂ１〜Ｂｂ４）の強度が低下する、磁界検出装置（１）。

［２］前記電源（３２）は、一定の電圧を出力する定電圧源である、前記［１］に記載の磁界検出装置（１）。

［３］第１乃至第４の前記ＧＭＲ素子（２１〜２４）を備え、前記第１乃至第４の前記ＧＭＲ素子（２１〜２４）によってブリッジ回路（２０）が構成されると共に、前記第１乃至第４の前記ＧＭＲ素子（２１〜２４）が、前記バイアス磁界（Ｂｂ１〜Ｂｂ４）及び前記被検出磁界に対して直交する方向に前記コイル（３１）と並んで配置された、前記［１］又は［２］に記載の磁界検出装置（１）。

［４］前記磁界発生部（３）は、温度の上昇によって電気抵抗が増大する感熱素子（３３）を有し、前記コイル（３１）と前記感熱素子（３３）とが直列に接続されている、前記［１］乃至［３］の何れか１つに記載の磁界検出装置（１Ａ）。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、上記に記載した実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。

１，１Ａ…磁界検出装置
２…ＧＭＲ素子
２０…ブリッジ回路
２１〜２４…第１乃至第４のＧＭＲ素子
３…磁界発生部
３１…コイル
３２…電源
３３…感熱素子
Ｂｂ１〜Ｂｂ４…バイアス磁界
Ｂｍ…被検出磁界

Claims

巨大磁気抵抗効果を有するＧＭＲ素子と、前記ＧＭＲ素子にバイアス磁界を印加する磁界発生部とを備え、前記ＧＭＲ素子の電気抵抗の変化によって前記バイアス磁界に直交する方向の被検出磁界の強度を検出する磁界検出装置であって、
前記磁界発生部は、前記バイアス磁界を発生するコイルと、前記コイルに励磁電流を供給する電源と、前記コイルと直列に接続され、かつ温度の上昇によって電気抵抗が増大する感熱素子とを有し、
前記ＧＭＲ素子の温度が上昇して前記被検出磁界の強度の変化に対する前記電気抵抗の変化率が低下したとき、前記励磁電流の減少によって前記バイアス磁界の強度が低下する、
磁界検出装置。
前記電源は、一定の電圧を出力する定電圧源である、
請求項１に記載の磁界検出装置。
第１乃至第４の前記ＧＭＲ素子を備え、前記第１乃至第４の前記ＧＭＲ素子によってブリッジ回路が構成されると共に、前記第１乃至第４の前記ＧＭＲ素子が、前記バイアス磁界及び前記被検出磁界に対して直交する方向に前記コイルと並んで配置された、
請求項１又は２に記載の磁界検出装置。